机械设计制造及其自动化专业毕业论文15044

1、 毕业设计（论文）设计（论文）题目：面向计算机辅助工艺设计的虚拟车床 在线加工仿真 专 业 ： 机械设计制造及其自动化 摘 要随着科技的高速发展，制造业市场的竞争在不断加剧，以最短的时间开发和生产出高质量、低成本的产品成为制造商所追求的主要目标。为了满足市场的需求，弥补制造业快速响应市场能力的不足，提出了面向计算机辅助工艺设计（capp，computer aided process planning）的基于solidworks的虚拟车床在线加工仿真系统研究的课题。借助于cad(computer aided design)cam（computer aided made）技术的卓越功能来实现产品的

2、辅助设计与辅助制造功能，从而大大缩短产品的生产周期和降低产品的生产成本。本课题利用solidworks平台对车床进行建模、装配，最后进行产品的加工工艺仿真。本篇论文研究的主要内容包括以下几个方面：第一，介绍课题研究的背景及意义，并对相关技术做出简单介绍；第二，对基于solidworks的装配系统提出了总体设计的理念，对有关的关键技术进行了讨论；第三，对虚拟车床的建模与装配进行了讨论和详细的介绍，介绍了几种建模方法，并给出了具体过程；第四，对cam works做了简单的介绍，并且对nc代码的生产过程给出了具体过程；第五，提出了虚拟仿真系统的总体设计理念，介绍了虚拟加工的工作原理。【关键词】装配仿

3、真 solidworks 虚拟加工 cam worksabstractwith the rapid development of science and technology, the market competition of manufacturing becomes much fierce. developing and producing the high quality and low cost products in the shortest time have been regarded as the pursuit of our ultimate goal. in order

4、to meet the demand of the market, make up for the shortage of fast response ability to the market of manufacturing, research is proposed on the virtual lathe online machining and simulation system based on solidworks which faces the computer aided process planning (capp). in addition, with the aid o

5、f the excellence performance of cad/cam technology, people can realize auxiliary design and aided manufacturing functions of products. thus both the production cycle and cost of the products are greatly decreased. this paper would use the solidworks as a platform to model, assemble the lathe, and fi

6、nally process technology simulation of the products.【 key words 】 the assembly simulation solidworks virtual machiningcam works 目 录摘 要iabstractii前 言v绪 论1第一节 课题研究的背景及意义1一、研究背景1二、研究意义1第二节 相关技术介绍2一、cad技术2二、pdm2三、虚拟制造技术3四、虚拟装配技术3第三节、本章小结3第一章 基于solidworks的装配系统总体设计4第一节 装配系统的设计要求4第二节 装配系统的体系结构4第三节 虚拟装配流程6第

7、四节 装配系统的关键技术讨论7一、参数化设计7二、虚拟装配建模技术7三、零部件装配信息提取技术7第五节 本章小结7第二章 虚拟车床的建模与装配8第一节 零件的三维建模与装配8一、参数化建模方法8二 、一般建模方法8三、三位实体零件的装配9第二节 车床的建模10一、车床底座的建模与装配10二、车床尾座的建模与装配14三、电机部分的建模与装配15四、卡盘的建模与装配17五、刀架的建模与装配18第三节 车床装配20第四节 本章小结21第三章 基于cam works的加工仿真22第一节cam works简介22一、cam works 特点22二、cam works工作环境介绍22第二节 cam wor

8、ks的加工仿真24一、坐标系的建立和描述24二、nc代码生成过程25第三节 本章小结29第四章 虚拟仿真系统的总体设计30第一节 系统的总体设计30一、虚拟仿真系统总体设计的基本原则30二、虚拟仿真系统总体设计的技术要求30三、虚拟仿真系统的结构设计31第二节 虚拟加工工作原理32一、工作原理介绍32二、step阶梯函数介绍34第三节 坐标系的变换34一、平移坐标系的映射34二、旋转坐标系的映射35第四节 车床加工仿真36第五节 本章小结42结 论43致 谢44参考文献45附 录46一、nc代码46二、英文原文52三、英文翻译57 前 言随着科技的进步和经济的快速发展，cad/cam技术也越来

9、越趋于成熟并被广泛应用，同时数控加工技术也日益广泛地应用到复杂零件的加工。但随着零件复杂程度的增加，加工零件的潜在危险也随之增加，可靠性也自然降低。因此，在实际加工之前，通常要进行刀具轨迹的正确性和可靠性的检验，即试切或计算机图形仿真。通常情况下采用塑料模、蜡模等非金属材料在机床上进行试切加工等较为传统的检验方法，但这很费力也很困难，同时还延长了生产周期。此时，低费用、低消耗、高安全性等因素成为了追求的目标，而计算机仿真便是因为拥有这些优点而越来越受到重视。在实际加工以前发现并除去错误, 确保加工刀具走刀路线的正确性、合理性一直是设计者所追求的，因为这不仅可以提前找出并去除错误，更为重要的是它

10、提高了产品设计的可靠性和高效性。而运用计算机仿真加工便可以实现在不需要真实加工环境下评价加工过程。使用传统方法所带来的各种问题一直困扰着设计工作的进步，而利用计算机仿真技术对加工过程进行仿真不仅方便而且非常可靠。还可以从计算机的屏幕上直观地观察到车床加工的结果并进行判断, 发现存在的问题，并对轨迹进行修改和优化。同时利用计算机仿真加工还可带来许多新的优点和用途, 实现一些以前无法完成的工作可以预先对加工结果进行估计, 统计各种加工数据并对加工过程进行优化。绪 论第一节 课题研究的背景及意义一、研究背景随着三维设计软件技术的成熟，基于二维cad的计算机辅助工艺设计系统没有提供与三维cad软件的集

11、成接口，无法与三维cad系统产生的信息进行很好的集成，也无法满足对产品工艺设计全过程的管理、数据分析和工艺流程管理。基于二维的装配工艺设计，工序简图是以二维图形的形式存在，工序简图无法与三维cad数据模型建立关联。装配工艺在很大程度上基于经验和实体模型的反复试装,导致成本和生产周期都被大大增加。缺乏有效的装配工艺分析手段：装配精度分析、零部件选配、装配结构运动仿真等，从而使得实际装配过程中的正确性和可靠性都无法得到保障。二、研究意义随着基于三维的cad设计软件和平台技术的日趋成熟和其众所周知的强大的设计功能开发，基于3d技术的cad设计方法的推广应用同基于网络的pdm技术一样，己成为我国机械制

12、造企业赖以发展的必不可少的先进制造和管理技术之一。对装配面向计算机辅助工艺设计（capp）系统的实现方式进行研究，肯定对现代制造业的发展起到很大的作用，并且为并行工程、虚拟制造技术的研究和开发奠定了坚实的基础，同时还为未来高自动化水平的实用化计算机辅助装配设计系统的开发设计奠定了良好的基础。本文以面向计算机辅助工艺设计（capp）的虚拟车床在线加工仿真为题来作为研究方向，阐述的应用系统是基于solidworks平台开发的。第二节 相关技术介绍一、cad技术计算机辅助设计（computer aided design，简称cad）cad是指利用计算机系统来协助进行一个产品、一项工程或某一决策的建立

13、、分析、修改、优化及图纸绘制等工作。cad技术能大大提高设计者的设计效率，缩短产品的研制周期，同时还能减少设计错误，提高设计质量，为加速产品的开发和更新换代提供有利条件。也是进一步向计算机辅助制造 （computer aided manufacturing，简称cam）、计算机集成制造系统（computer integrated manufacturing system，简称cims）发展的重要基础。二、pdm 产品数据管理(product data management，pdm)是基于分布式网络、主从结构、图形化用户接口和数据库件管理技术发展起来的一种软件框架（或数据平台），pdm对并行工程

14、中的人员工具、设备资源、产品数据以及数据生成过程进行全面的管理。即用来管理特定产品从研发到量产之生命周期里全程各点产生的一切信息，例如cad图面、3d模型数据、nc程序、cae(computer aided engineering)分析结果，测试数据、设计历史和相关制程文件。其涵盖的数据型态是多元性，让各阶层工程师可清晰了解各式资料间的关连性和阶层架构，并以此为执行作业的依据。pdm系统的体系结构包括用户界面层、功能模块及开发工具层、框架核心层和系统支撑层四层。如下图1.1所示：图1.1 pdm系统的体系结构示意图三、虚拟制造技术虚拟制造技术（virtual manufacture techn

15、ology，vmt）是仿真、建模和分析技术及工具的综合应用，以增强各层制造设计和生产决策与控制。是由许多先进学科、先进知识组成的综合系统技术，是计算机仿真技术与虚拟现实技术的结合。虚拟制造技术使得制造技术有了较为明显的改善和进步，它所提供的全新的的开发环境为产品的设计贡献了不可估量的推动作用。使得从产品概念的形成到全方位的设计制造都步入了一个全过程的、三维可视的、人机交互的新时代，完全改变了传统的产品开发过程。虚拟制造也可以对想象中的制造活动进行仿真，它不消耗现实资源和能量，所进行的过程是虚拟过程，所生产的产品也是虚拟的。虚拟制造技术的应用将会对未来制造业的发展产生深远影，虚拟制造技术的诞生标

16、志着制造业进入了一个全方位的新阶段。四、虚拟装配技术虚拟装配是虚拟制造的重要组成部分，利用虚拟装配，可以验证装配设计和操作的正确与否，以便及早的发现装配中的问题，对模型进行修改，并通过可视化显示装配过程。虚拟装配系统允许设计人员考虑可行的装配序列，自动生成装配规划，它包括数值计算、装配工艺规划、工作面布局、装配操作所模拟等。现在产品的制造正在向着自动化、数字化的反向发展，虚拟装配是产品数字化定义中的一个重要环节。按照实现功能和目的的不同，虚拟装配分为如下三类：以产品设计为中心的虚拟装配、以工艺规划为中心的虚拟装配和以虚拟原型为中心的虚拟装配第三节、本章小结本章就该课题的研究背景做了简单初步的介

17、绍，并基于该背景条件下说明了其研究意义。然后有简单介绍了与该课题有关的一些基本技术。第一章 基于solidworks的装配系统总体设计第一节 装配系统的设计要求虚拟车床的装配系统是基于solidworks环境下的，其实现是利用cad环境提供的功能，加上新的功能开发达到系统要求1。基于solidworks的装配系统的总体设计需要满足如下四点要求： 装配系统要能够生成虚拟装配环境，可以进行产品的数字化设计、方便的完成产品的装配建模，并能够从solidworks环境中获得装配所需要的原始数据。装配系统还要具有一定的功能模块，能够在计算机上分析与验证虚拟车床的装配性能和装配工艺规划过程。装配系统可以对

18、装配过程进行虚拟仿真演示。装配系统在保证对产品设计全面支持的情况下，生成的各种信息或数据要以固定的格式记录存储下来，以方便装配系统进行管理。第二节 装配系统的体系结构虚拟装配系统是针对已定义好的装配体进行装配过程的分析研究，对装配设计进行一定程度的评价，从而起到指导、更改和优化设计的作用。本课题所提出的装配系统是在windows xp或windows 7操作系统上，在三维cad软件solidworks的平台上开发实现的。装配系统的总体体系结构图如下图所示：图2.1 装配系统总体结构图由上图可知，配系统的总体体系结构有六大模块构成，分别是：零件参数化设计模块、装配模型信息提取模块、装配序列生成模

19、块、装配序列评价模块、装配仿真校验模块、装配仿真结果输出模块。主要模块功能如下：零件参数化设计模块:通过本系统可以直接调用solidworks，并实现产品的快速设计建模；装配模型信息提取模块：从solidworks内部数据库中提取虚拟装配系统所需的基本建模信息，将其存放在数据结构中，完成产品装配模型的信息提取，为装配序列的生成提供信息基础；装配序列生成模块：接收从装配模型信息中提取模块的装配信息，并根据这些装配信息生成装配体的所有装配序列，作为虚拟装配过程仿真的必要输入；装配序列评价模块：给出评价结果和意见；装配仿真结果输出模块：生成文本形式的装配顺序工艺文件、图形方式的装配路径等，为产品设计

20、更改提供参考。第三节 虚拟装配流程solidworks支持两种装配设计方法，即自底向上和自顶向下的装配方法。自底向上是将现有零件一个一个安装成装配体的设计过程，自顶向下的设计是一个从装配体到零件的设计过程，即先有装配件设计，然后再设计出零件的设计方式。自底向上的设计是最常用的构造装配体的方法。图2.2所示为虚拟装配流程图：图2.2 所示为虚拟装配流程图。装配系统设计流程如下所述:在solidworks环境下对产品的零部件进行参数化设计，对零部件进行建模；在零部件模型的基础上进行装配建模；在装配序列生成模块对装配模型信息进行分析，考虑各种约束条件；对装配序列进行装配过程仿真校验。第四节 装配系统

21、的关键技术讨论装配系统涉及产品的零部件参数化设计、产品的装配信息模型、装配仿真和装配序列的评价等几个关键技术。现就对以上关键技术进行讨论。一、参数化设计参数化设计(pd，prametric design)是虚拟产品设计和装配技术的基础，它存储了整个设计的过程。参数化设计可以大大提高模型的生成和修改的速度，在产品的系列设计、相似设计及专用cad系统开发方面都具有较大的应用价值。目前，参数化设计中的参数化建模方法主要有变量几何法和基于结构生成历程的方法，前者主要用于平面模型的建立，而后者更适合于三维实体或曲面模型。二、虚拟装配建模技术虚拟装配建模是通过实体造型系统建立产品的装配关系进而形成的。装配

22、规划正确生成的先决条件是装配信息的完整准确表示，装配建模即能建立完整的产品装配信息，可以说装配建模是实现装配设计和装配规划的基础。三、零部件装配信息提取技术零部件的最终约束条件来自装配仿真过程中对零部件信息的提取，而为了从装配体中提取零部件的位置信息，需提取装配体中所有零部件的位置和姿态信息，这些信息会被存储到产品基本信息数据库中，以供系统的提取。第五节 本章小结本章对基于solidworks的装配工艺设计系统的体系结构、设计流程进行了分析，最后对件参数化设计、产品的装配信息模型、装配仿真和装配序列的评价等系统实现的几个关键技术进行了讨论。第二章 虚拟车床的建模与装配第一节 零件的三维建模与装

23、配一、参数化建模方法在solidworks中参数化建模可以通过两种方法实现：一种方法是完全程序化参数建模,另一种方法是参数修改法建模。建模的过程完全由程序进行控制，用户根据需要直接用程序生成需要的模型，建模的过程由计算机连续完成,即完全程序方法建模；数修改法建模是通过修改已有模型的参数来实现参数化建模的方法，采用参数修改法建模必须有模型库的支持，模型库通常由用户事先用手工方式建立，保存在程序指向的目录下，在建立模型时便从模型库中提取模型文件，对指定的尺寸参数进行修改。二 、一般建模方法启动中文版solidworks2010，然后进入中文版solidworks2010的用户界面，点击“文件”|“

24、新建”菜单命令，弹出“新建solidworks文件”对话框，如图3.1所示：图3.1 新建solidworks文件从上图可以看到该对话框包括了三个选项即“零件”“装配体”“工程图”，其中“零件”选项就是设计的单一零部件的三维建模。“装配体”选项就是根据所设计的三维零部件，将它们按照所需要的形状装配起来，形成一个综合的装配体。下面就以零部件的三维建模，来做简单介绍：单击“零件”|“确定” 菜单命令，这时可以得到一般零件建模工作界面，如图3.2所示：图3.2 solidworks建模界面在此界面上，就可以通过菜单栏列出的各种特征进行建模，首先在绘制草图的时候，利用“草图绘制”功能，可以编辑基本的直

25、线、矩形、圆、圆弧等，通过“智能尺寸”可以对所需尺寸进行编辑约束，最终形成理想的二维平面图形，然后利用“特征”功能，可以对草图进行“拉伸”“扫描”“放样”“旋转”“阵列”等，最终形成所要求的模型。三、三位实体零件的装配所谓solidworks装配体，就是将所建的零件模型，通过一定的配合关系得到所要求是模型，solidworks生成装配体的方法：自下而上：先设计并造型零部件，然后将其插入到转配体中，使用配合定位零部件。如果需要更改零部件，必须单独编辑零部件，更改可以反映在装配体中。“自下而上”设计法对于先前制造、现售的零部件，或者如金属器件、皮带轮、电动机等标准零件而言属于优先技术。自上而下：在

26、该设计法中，零部件的大小、形状及位置可以在装配体中进行设计。“自上而下”设计法的优点是在设计更改发生时变动更少，零部件根据所生成的方法而自我更新。可以在零部件的某些特征、完整零部件或者整个装配体中使用“自上而下”设计法。设计师通常在实践中使用“自上而下”设计法对装配体进行整体布局，并捕捉装配体特定的自定义零部件的关键环节。其操作方法如下：新建并打开“装配体”得到在solidworks中三维实体装配的操作空间，如图3.3所示:图3.3 solidworks三维实体装配界面单击“浏览”菜单项，可以在文件图里面找到要装配的零件图，然后单击“打开”选项，这时会在操作空间中显示出该三维模型，单击左键，就

27、可以将零件图插入进去，通过相应的配合关系得到所需要的形状。第二节 车床的建模一、车床底座的建模与装配1、手轮的建模首先以手轮为例，手轮的作用是：转动手轮可以使从动轮左右移动，来达到增大或减小从动轮与主动轮施加给锥杆的摩擦力大小的作用，依靠摩擦使得锥杆竖直升降。因此手轮上连接的杆的外螺纹应该与机架上的圆筒的内螺纹相啮合。在此零件中，要掌握的就是solidworks“旋转”特征，该特征通过选择【插入】|【凸台/基体】|【旋转】菜单命令或者单击【特征】工具栏中（旋转凸台/基体）按钮，在【属性管理器】中弹出【旋转】的属性设置框。通过绘制其手轮外轮廓得到，如3.4所示：图3.4 手轮转盘其次就是“放样”

28、特征，选择【插入】|【凸台/基体】|【放样】菜单命令或者单击【特征】工具栏中的（放样）按钮，在【属性管理器】中弹出【放样】属性设置框。并设定相应的放样轮廓得到，如图3.5所示：图3.5 手轮接着，需要另外建立一个零件图，即丝杆，首先绘制一个拉伸的圆柱体，然后在该圆柱体中通过“扫描切除“，得到如图3.6所示：图3.6 传动螺杆通过对以上两个三维模型的建立，并通过装配得到手轮的装配体如图3.7所示：图3.7 手轮2、底座箱体建模此部分建模相对来说比较简单，但是要求要把握好对凸台中心圆的位置确定，下面就主要问题简单介绍一下：首先建一个零件草图，作出相应的草图，然后“拉伸”到一定位置，在确定中心圆的时

29、候一定要确定中心圆圆心位置如下：图3.8 圆心的确定接着利用“拉伸切除”功能得到如图3.9所示：图3.9 底座箱体3、车床底座的装配通过对以上零件图的绘制，通过建立一个“装配体”，并通过各种配合将各个零部件连接在一起，得到如下图所示的车床底座三维模型：图3.10 车床底座二、车床尾座的建模与装配1、车床尾座的建模这里就车床尾座建模作一简单介绍，此零件的难点在于对整体的一个把握问题，以及基准面的建立于转换问题，其中主要运用到的特征有“拉伸”“拉伸切除”“扫描”“扫描切除”“倒角”“基准面”等等，这里就“基准面”特征作简单介绍，单击【参考几何体】工具栏中的（基准面）按钮，在【属性管理器】中弹出【基

30、准面】属性设置框。在solidworks中，参考基准面的用途很多，总结为以下几项：作为草图绘制平面；作为视图定向参考；作为装配体时零件相互配合的参考面；作为尺寸标注的参考；作为模型生成剖面视图的参考面；作为拔模特征的参考面。通过对基准面的熟练设定，并结合相应的特征，得到如图3.11所示尾座的三维模型：图3.11 尾座2、车床尾座的装配通过对尾座各个零件的建立，并通过各个零件之间的配合约束，得到尾座装配体：图3.12 尾座装配体三、电机部分的建模与装配1、电机建模在电机的建模这一块，要求必须要对电机要有一个大概的印象，其中在此零件的建模中，主要包括了，“孔”“拔模”“抽壳”等特征，及对各种基准面

31、和基准轴的运用能力，其三维模型如图3.13所示：图3.13 电机2、电机的装配通过建立一个“装配体”，从而插入电机部分的各个零件，并通过配合来约束各个零件之间的关系，其详细的装配步骤如下图，电机部分的三维装配图如下图3.14所示：图3.14 电机装配体四、卡盘的建模与装配1、卡爪的建模卡爪作为旋转卡盘的重要组成部分，其主要作用就是固定所要加工的工件，一个好的卡爪，可以提高工件的加工精度。下面就对卡爪的建模进行简单的介绍，在此建模中要求了解对“阵列”“拉伸切除”等特征的操作方法熟练掌握，其中卡爪的建模方法及卡爪的三维模型如下图3.15所示：图3.15 卡爪通过以上操作，可以得到卡爪的三维模型如上

32、图所示。2、卡盘的装配通过对卡盘部分零件模型的绘制，可以的到卡盘的总体装配图如下：图3.16 卡盘五、刀架的建模与装配1、刀架的建模通过对刀台的建模来做一个介绍，在这里要注意的是螺纹的建立，要建立一个螺纹，可以通过“扫描切除”来完成，另外如果想要建立一个螺栓，可以借助toolbox或迈迪三维设计工具集来完成，在它们里边包含了目前强大的标准库零件，可以直接调用所需要的标准件。下面就上刀架的建模作一简单介绍，在此三维模型中，要求对solidworks中“基准面”的建立熟练掌握，因为要在不同的面建立草图，接着就是“扫描切除”，该特征可以说是solidworks三维建模中一个比较常用的特征，该特征可以

33、帮助生成内螺纹、外螺纹以及各种不规则的模型，其具体模型如图3.17所示：图3.17下刀台其中下刀台的三维模型建立，需要就“线性阵列”特征所了解，特征的线性阵列是在单个或者多个方向上生成多个指定的原特征。可以通过单击【特征】工具栏的“线性阵列”按钮或者选择【插入】|【阵列/镜像】|【线性阵列】菜单命令，在【属性管理器】中弹出【线性阵列】的属性设置框。其次就是“拉伸切除”特征，选择【插入】|【切除】|【拉伸】菜单命令或者单击【特征】工具栏中的“拉伸切除”按钮，在【属性管理器】中弹出【切除-拉伸】属性设置框。通过对以上特征操作熟悉，其三维模型如下图所示：图3.18 上刀台2、刀架的装配在此装配体中，

34、它包括上刀架、下刀架、旋转台、车刀、螺栓等部件，首先需要将下刀架插入进来，这是系统默认它以“固定”方式存在，接着依次插入上刀架、旋转台，通过对以上模型的配合，接着打开toolbox插件，并且通过相应的螺栓大小，直接调入所要需要的各种类型大小的螺栓。然而在这里要注意一个问题，因为刀架包含了两个方面的运动（横向与纵向），因此在配合的时候一定不能把要运动的地方添加不必要的约束，从而使得刀架可以在两个方向来回移动。其装配方法和三维模型如下图3.19所示：图3.19 刀架第三节 车床装配车床的装配采用“可拆即可装”的方法来确定装配顺序，即“若零件的装配和拆卸互为可逆过程，这可以通过求解零件的拆卸顺序来得

35、到零件的装配顺序。其优点是：若判定一零件满足拆卸条件，则该零件一定满足顺序约束；即使装配过程某一阶段满足装配条件的零件，也未必满足满足顺序约束条件，这是由于该零件有可能影响到后续零件的装配；通过几何计算可从零件的装配状态推导出零件拆卸的初始方向。因此，装配顺序应该是：轴键齿轮链轮链条换挡装置，在solidworks平台中，可以通过向装配体中添加实体零件，进行装配，具体可以采用手动法，最终借助于配合，移动，旋转零部件等指令完成装配工作。如下图3.20所示：图3.20 车床总装第四节 本章小结本章一开始就简单的介绍了机床并给出了虚拟数控车床的介绍，接着有阐述了三位实体的建模方法和装配过程。对于车床

36、的总体装配和建模，本文给出了具体的过程方法。在对本章所介绍的零部件进行绘制的过程中，用的最多的特征命令是拉伸、切除、旋转。这三个命令是生成三维实体模型大体轮廓的基本命令，也是很重要的命令。第三章 基于cam works的加工仿真第一节 cam works简介cam works 是一个集成于solidworks cad 软件中的cam（计算机辅助制造） 软件产品,将传统cad/cam软件中的计算机辅助加工编程方法与先进的人工智能技术完美集合是cam works的最为突出的特性和优点，这也使得它成为当今国际上为数不多的优秀计算机辅助制造软件之一的最主要原因2。cam works 不仅具有一般cam

37、 软件在车削、铣削以及车铣复合加工编程方面的数控加工编程功能，而且在自动加工特征识别以及独具一格的加工工艺设计树应用方面被业界公认为cam编程软件今天以及将来的必然发展反向。一、cam works 特点自动可加工特征识别afr技术可使得solidworks 中产生的特征被有效重用，节约大量编程者的时间，并减少人为操作的错误。继承solidworks 设计特征树的操作风格，将计算机辅助工艺设计capp 思想嵌入cam 软件，从粗加工到精加工为编程者提供了一个可视、可操作的加工工艺路径。cam works 可以提供edrawings、特征查询、差异化比较等辅助工具，并为企业提供更为高级的面向制造的

38、设计工具dfm。加工工艺数据库techdb可将切削参数、加工设置参数用数据库的形式进行管理和应用，反映计算机图形技术与数据库应用技术的结合，节约操作的时间，提高参数用量的准确性，保证加工的质量。二、cam works工作环境介绍它是利用计算机来进行生产设备管理控制，它输入信息是零件的工艺路线和工序内容，输出信息是刀具加工时的运动轨迹(刀位文件)和数控程序。cam works作为solidworks里面一款专门的加工仿真软件。主要包括cam works特征树、操作树。其工作界面如下：图4.1 cam works工作界面在本课题中，主要研究的是关于车床加工仿真的内容，因此，所要加工仿真的工件三维模

39、型如下4.2所示：图4.2 仿真工件第二节 cam works的加工仿真一、坐标系的建立和描述为了能够生成加工零件的nc代码，必须对加工的零件进行建模。在模型建好之后，要对其进行坐标选择，只有选择正确合适的坐标系，才能得到合理方便的数据供后续工作的展开和使用。采用这样一个坐标体系，即存在着一个世界坐标系，在讨论任何问题时都以此为标准参考该世界坐标系。在cam works工作的环境下，利用其自身的功能对零件进行数据信息的提取，然后选取适当的坐标建立零件的加工坐标系。一般情况下常取零件自身为坐标轴进行坐标系的建立。1、位置的描述一旦建立了坐标系，就可以用一个 的位置矢量对世界坐标系中的任何点进行定

40、位。用三个相互正交的带有箭头的单位矢量来表示一个坐标系a，用一个适量来表示一个点,矢量的各个元素用下标x，y，z来标明： = （4-1） 2、姿态的描述当需要对空间物体的姿态进行描述时，就涉及到了多个坐标系的先对旋转问题。例如已知坐标系b以某种方式固定在物体上，b相对于a的描述就足以表示物体的空间姿态。用来表示坐标系b主轴方向的单位矢量。当用坐标系a的表达式表示时，它被写成,即有如下所示的旋转矩阵： = （4-2） 如下图4.3所示为空间一物体的位置和姿态的确定示意图：图4.3 物体位置和姿态的的确定当然，在选取的该坐标系下得到的nc代码与之后step函数调用的数据数不一样的。原因在于step

41、函数所调用的数据是在以车床为坐标系的另外一个坐标系下的数据。这就涉及到不同界面和环境下加工零件数据的转换，即坐标系的转换：x、y、z轴的平移和旋转。二、nc代码生成过程下面就其步骤作简单介绍：完成对加工工件毛坯建立，首先单击“cam works特征树”，然后双击“毛坯管理”选项，在这里面，可以选择被加工物件的材料的类型，并且它也可以自动反应出毛坯的各种参数，包括毛坯尺寸、毛坯类型以及系统默认原点。图4.4 毛坯管理界面通过以上操作完成对加工工件毛坯属性的创建。通过对以上毛坯属性的设置，然后就要完成对机床类型的选择，双击，完成对机床类型、刀具参数的选择，如图：图4.5 机床参数表从上图可以看出，

42、在cam works中可以选择的加工机床有：铣床、车床、铣削/车削机床、线切割机床，并通过“选择”可以得到所需要的机床类型，然而在本例中，选择“车床”，这时可以看到该图标会变成，完成对机床类型的选择。接着，单击“毛坯管理”右键，“插入车削设置”，通过该操作可以编辑相应的车削特征，如下图所示： 图4.6 操作树界面至此，就可以对所要加工的工件，进行相应的车削设置了。就本课题中，所加工的工件其设置如下：图4.7 车削特征下面就以“od特征1”为例做一介绍，单击“cam works操作树”可以看到相应的车削操作步骤，如图4.8：图4.8 操作特征接下来就其设置作相应介绍，双击“粗车1”，可以看到关于

43、他的具体操作步骤，在“操作参数”里面，可以对粗车，作出各种设置，包括刀具、nc、引入/引出、特征选项等作出调节。如下图：图4.9 操作参数在图5.8中可以对“粗车”中所需要的刀具作相应的选择，包括刀具的各种参数、刀具导入的方向等等。其中“粗车1”与“精车1”为“od特征1”的加工设置。并且通过以上设定的参数，可以得到所要加工零件的nc代码和车刀的走刀路线，图如下所示，nc代码见附录： 图4.10 仿真工件刀路第三节 本章小结cam works作为solidworks公认的一款黄金加工插件，通过进行cam works加工仿真设置，可以设置的机床类型有：车床、铣床、加工中心、线切割机等常见的加工机

44、床，并且可以轻易的做出不同零件的加工仿真，同时该插件也可以即时生成nc代码，这样也免去了，手工编程的麻烦。这为在实际生产中不仅提高了生产效率，从而也减轻了设计人员工作负担。第四章 虚拟仿真系统的总体设计当今世界工业已经发生了巨大的变化，大规模人海战术早已不再适应工业的发展，先进科学技术的应用显现出巨大的威力，特别是虚拟仿真技术的应用正对工业进行着一场前所未有的革命。虚拟仿真已经被世界上一些大型企业广泛地应用到工业的各个环节，对企业提高开发效率，加强数据采集、分析、处理能力，减少决策失误，降低企业风险起到了重要的作用。虚拟仿真技术的引入,将使工业设计的手段和思想发生质的飞跃,更加符合社会发展的需

45、要,可以说在工业设计中应用虚拟现实技术是可行且必要的。第一节 系统的总体设计一、虚拟仿真系统总体设计的基本原则为了满足系统所要达到的功能要求和技术要求，虚拟仿真系统的总体设计要遵循以下原则：准确性: 使真实加工环境对象的特点和功能要能在虚拟环境中得以准确表达；有效性:使虚拟系统在模型建立和数据分析方面更加有效；实用性: 要使真实环境下的加工各项要求必须在虚拟环境下完成，使设计的虚拟加工仿真系统具有实用价值；可扩展性:应该具有与现代技术相融合的特点，系统要满足新增功能的技术要求；界面友好性: 要使用户觉得很新颖很有吸引力，重要的是要让设计者容易操作。作为一个较为完善的虚拟仿真系统，应该同时满足以

46、上所有要求。二、虚拟仿真系统总体设计的技术要求满足多种刀具切削过程的仿真加工；可以模拟加工过程中刀具的走刀路径，并且可以检验和模拟工件毛坯的加工切削过程；在虚拟仿真过程中要能真实反映数控加工的特点，准确表达数控加工的关键信息；使用合理的数据结构算法，在虚拟切削计算中保证计算精度。三、虚拟仿真系统的结构设计下图5.1表示了虚拟数控加工仿真系统的基本组成：图5.1 虚拟数控车床加工仿真系统的组成系统输入的数据主要来自机床模型、nc代码文件以及通过用户自定义输入的原始数据等。系统输出的是零件加工过程的仿真动画，可以直观的观察整个加工过程的基本情况。第二节 虚拟加工工作原理一、工作原理介绍提供一个逼真

47、的仿真加工环境是数控设备加工仿真的主要目标及任务。在计算机上利用虚拟机床设备模型对实际机床设备进行模拟仿真的过程是对交互完成数控设备加工的动态仿真等功能的实质运用。为此，按照实际设备的结构组成、功能为标准，依据实际需要，给出如下图5.2所示的数控设备加工仿真的总体设计结构图：图5.2 数控设备仿真结构示意图下面就本课题的加工过程仿真模块作相应介绍：数控加工过程仿真可以分为几何仿真和物理仿真两个部分，但在本课题中，只对几何仿真作相应的研究：几何仿真将刀具与工件视为刚体,不考虑切削参数、切削力及其他因素对切削加工的影响, 只是对数控程序进行翻译, 产生刀具位置数据, 并以此数据驱动机床运动部件和刀

48、架运动, 刀具对工件进行虚拟切削。1、虚拟机械加工过程仿真的方法在虚拟制造中，实现机械加工过程仿真的方法主要有如下几种：在matlab平台环境下，运用矩阵运算功能计算刀位，借助其强大的图形处理功能，实现对加工过程的三维动态仿真；利用autocad下的objectarx进行开发，模拟刀具按nc程序切削工件的全过程，仿真完成后可以得到三维零件图；由于ug具有集成化和建模、运动分析功能强大的特点，所以，利用ug可以实现虚拟加工系统的运动仿真，并可对毛坯材料的去除过程做三维动态模拟；利用vc+调用opengl图形函数对机床各部分零件进行参数化实体造型，接着按照各零件之间的装配关系进行实体装配。根据刀具

49、的轨迹和轨迹上各点对应刀具轴线矢量，可以对虚拟机个过程进行动态模拟。2、加工过程仿真内容刀具运动轨迹仿真：读入nc代码，生成刀具刀位数据，并驱动虚拟机床运动。刀具沿运动轨迹运动，以直观检查刀具运动轨迹的合理性；夹具安装使用过程仿真；机床运动过程仿真：刀具运动轨迹将按照既定路线分解成机床各部件运动；材料去除过程仿真：刀具按运动轨迹对毛坯进行材料切除。3、动态图形仿真实现方法零件图和毛坯图的显示：由于车床加工的零件是回转体零件, 图形关于z轴对称。处理方法如下：若图素为直戮,由于图形对称于z轴, 所以只需将x坐标值取负值即可；若图素为圆弧, 则不能简单地取x坐标的负值, 因为圆有旋向、起始角和终止

50、角。因此, 画圆弧时, 原圆弧与其对称圆弧的起始点和终止点的坐标相同, 但起始角和终止角不同。模拟速度的控制：模拟过程中, 刀具每走一步, 延时一定时间, 达到动态模拟仿真的效果,模拟速度的控制也就是对延时时间的控制, 延时时间越少, 模拟的速度越快；相反延时时间越长, 模拟的速度越慢。毛坯的切去：“虚形体法”虚拟机床加工过程中。刀具运动所扫过的空间称为虚形体。虚形体与刀具本身的几何形状、刀具运动轨迹和刀具运动的起始位置有关。由于虚形体是静态物体在运动过程中形成的，可采用静态物体(刀具)边界曲面在运动中形成包络面的方法生成虚拟体，将毛坯与虚拟体求差，可得到瞬时工件外形，实现加工过程仿真。二、s

51、tep阶梯函数介绍通用的step函数如：step(x,x0,h0,x1,h1)： （5-1）x自变量，可以是时间或时间的任一函数；x0自变量的step函数开始值，可以是常数或函数表达式或设计变量；x1自变量的step函数结束值，可以是常数、函数表达式或设计变量；h0step函数的初始值，可以是常数、设计变量或其它函数表达式；h1step函数的最终值，可以是常数、设计变量或其它函数表达式。第三节 坐标系的变换很多问题中，都需要不同的参考坐标系来表达同一个量，要描述从一个坐标系到另一个坐标系的变换，即映射3。一、平移坐标系的映射当两个坐标系a、b的姿态相同时，b不同于a的只是平移，可以用矢量表示b

52、的原点相对于a的位置。因为两个矢量所在的坐标系具有不同的姿态，所以用矢量相加的方法求点p相对a的表示:= （5-2）当不同坐标系中的矢量只有在坐标系的姿态相同时，才可以进行矢量的相加。由于本课题研究的物体所处环境只是不同坐标系下x、y轴的平移，所以上述公式可以运用到本课题之中。下图所示为平移映射示意图：图5.3 平移映射二、旋转坐标系的映射旋转矩阵是b相对于a的描述，且有如下公式： = （5-3）r: p1 p2, p2= r p1 （5-4）从而，由于的列是b的单位矢量在a中的描述，所以的行是a的单位矢量在b中的描述。那么一个旋转矩阵即为三个一组的列向量或三个一组的行向量，即：= （5-5）

53、 下图所示为矢量的旋转示意图：图5.4 矢量旋转第四节 车床加工仿真在这里基于solidworks motion为仿真条件，作一个简单的数控加工仿真。其操作步骤如下：首先，要在solidworks零件模块中绘制相应要加工的三维工件模型。在本课题中所要加工的模型工件如下：图5.5 加工工件接着打开车床的三维模型，“插入”要加工的工件，并且通过“配合”操作，将要加工的工件固定到卡盘上面。如图5.6所示：图5.6车床加工模型装配插入一个“辅助零件1”（最好为方形），通过配合使得它的一个面与被加工物件的端面“平行”“重合”，并且通过吃配合该辅助零件可以沿着被加工物件的中心轴方向来回移动。如下图5.7所示图5.7 辅助零件1视图现在，需要恢复被加工原件的切屑部分（即毛坯1），点击“插入”|“新零件”命令，然后在此装配体中，以“辅助零件1”与工工件端面重合的那个平面建立一个草图平面，并绘制出毛坯草图，并通过“拉伸”完成毛坯的绘制。如图5.8所示：图5.8 毛坯1视图因为本次加工仿真要进行两次切屑过程，因此必须再次插入“辅助零部件